嵌入式系统在信号与信息处理专业的应用

嵌入式系统

在信号与信息处理中的应用

1.绪论

1.1研究嵌入式在信号与信息处理领域应用的必要性

嵌入式系统产业[1]伴随着国家产业发展从通信、消费电子转战到汽车电子、智能安防、工业控制和北斗导航，今天嵌入式系统已经无处不在，在应用数量上已远超通用计算机，据相关机构统计，2012年全球嵌入式软件的销售规模已经达到了500亿美元，而嵌入式体系产品的产值达到6000亿美元。从2004 年到2011年全球嵌入式系统市场的收入规模比2011年增长了30.1%。根据IDC预测，到2015年，全球智能系统的设备量将达到150亿之巨。在中国，嵌入式系统产业规模持续增长，相关统计表明2012年我国电子制造规模达5.45万亿元，位居世界第二;电视、程控交换机、笔记本电脑、显示器和手机等主要电子信息产品的产量居全球首位。

信号与信息处理研究的主要内容集中于信息处理流程(接收，处理，通信，存储)中最核心的接收(即所谓的传感)和处理领域，其主要理论和方法已广泛应用于信息科学的各个领域。在网络时代条件下，研究信号传输、加密、隐蔽及恢复等最新技术，均属于信号与信息处理学科的范畴。可以这样认为，社会的发展史就是一部信息化的进程，而这一进程的发展基石就是信号与信息处理技术的发展。

研究嵌入式系统能够使用的信号处理算法，针对特定的处理算法开发适合的嵌入式系统。这两大基础性课题都是相关领域的学者必须认清的重要问题。得益于嵌入式系统在体积、功耗、功效指标的迅猛发展，这两个问题的探索有利于推动社会的信息化进程，进而对生产生活产生积极而且深远的影响。

1.2本文结构

本文主要分为5个部分：

第一部分是绪论。解释了嵌入式系统产业的发展现状，阐述信号与信息处理专业的基石性作用，进而说明研究嵌入式在信号与信息处理专业应用的必要性应用的必要性；

第二部分是嵌入式系统的介绍。首先是对嵌入式系统的进行简单说明，讲述其发展现状和目前在生产生活领域的主要应用。

第三部分是信号与信息处理专业的介绍。包括对该专业的概述，并总结了这一研究领域的主要分支研究方向。

第四部分是嵌入式系统与信号处理专业的交叉及应用。首先基于事实的角度逻辑性解释了为什么两者会有交叉。其次总结性的从5个方面例证了嵌入式系统和信号与信息处理专业结合紧密。

第五部分是总结。对全文进行回顾和总结。得出嵌入式系统在信号与信息处理领域发展前景广阔的结论。

2.嵌入式系统 2.1嵌入式系统简介

嵌入式系统[2]是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等4部分组成。用于诗选对其他设备的控制、监视或者管理等功能。嵌入式系统最典型的特点就是与人们的日常生活紧密相关，任何一个普通人都在使用各种各类形形色色的嵌入式技术电子产品，小到MP3、PDA等微型数字化设备，大到信息家电、智能电器、车载GIS。各种新型嵌入式设备在数量上已经远远超过通用计算机。

2.2嵌入式系统发展史和现状

随着信息化，智能化，网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展空间。进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已开始由模拟电视向数字电视转变，欧洲的DVB（数字电视广播）技术已在全球大多数国家推广。数字音频广播（DAB）也已进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。象前途无可计量的维纳斯计划生产机顶盒，核心技术就是采用32位以上芯片级的嵌入式技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是个人商用，作为个人移动的数据处理和通讯软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交互界面，GUI屏幕为中心的多媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像已取得初步成效。

一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，日用范围也将日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以用于ATM机，自动售货机，工业控制等专用设备，和移动通讯设备结合、GPS、娱乐相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的ADSL产品，结合网络，控制，信息，这种智能化，网络化将是家电发展的新趋势。

今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元，1997年来自美国嵌入式系统大会(Embedded System Conference)的报告指出，未来5年仅基于嵌入式计算机系统的全数字电视产品，就将在美国产生一个每年1500亿美元的新市场。美国汽车大王福特公司的高级经理也曾宣称，“福特出售的‘计算能力’已超过了IBM”，由此可以想见嵌入式计算机工业的规模和广度。1998年11月在美国加州举行的嵌入式系统大会上，基于RTOS的Embedded

Internet成为一个技术新热点。在国内，“维纳斯计划”和“女锅计划”一度闹得沸沸扬扬，机顶盒、信息j家电这两年更成了IT热点，而实际上这些都是嵌入式系统在特定环境下的一个特定应用。据调查，目前国际上已有两百多种嵌入式操作系统，而各种各样的开发工具、应用于嵌入式开发的仪器设备更是不可胜数。

近几年，嵌入式系统产品渐渐完善，并在全世界各行业得到广泛应用。2004年，全球嵌入式系统产品的产值已达2000亿美元，国内嵌入式软件的产值也达到600亿人民币。目前，嵌入式系统产品的研制和应用已经成为我国信息化带动工业化、工业化促进信息化发展的新的国民经济增长点。随着消费家电的智能化，嵌入式更显重要，像我们平常见到的手机、PDA、电子字典、可视电话、VCD/DVD/MP3 Player、数字相机（DC）、数字摄像机 (DV)、U-Disk、机顶盒（Set Top Box）、高清电视（HDTV）、游戏机、智能玩具、交换机、路由器、数控设备或仪表、汽车电子、家电控制系统、医疗仪器、航天航空设备等等，都是典型的嵌入式系统。据预测，随着Internet的迅速发展和廉价微处理器的出现，嵌入式系统将在日常生活里形成更大的应用领域。

2.3嵌入式系统的应用领域和发展方向

后PC时代的到来。使得人们开始越来越多的接触到一个新的概念——嵌入式产品。手机、PDA、掌上电脑、机顶盒、智能家电等形式多样的数字化设备正努力把Internet连接到人们生活的各个角落，我国潜在的消费者的数量将以亿为计量单位。嵌入式系统[2]的应用领域主要有以下几个方面：

工业控制。基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是8位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。

交通管理。在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。

信息电器。是指所有能提供信息服务或者通过网络系统交互信息的消费类电子产品。具有信息服务的功能，如：网络浏览、视频点播、文字处理、电子邮件、个人事务管理等。这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。尤其是以物联网为代表的局部网络技术的崛起，嵌入式系统在这一领域大有可为。

家庭智能管理系统。水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。

POS网络及电子商务。公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。

环境工程与自然。水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。

3.信号与信息处理

3.1信号与信息处理专业概述

本学科是以研究信号与信息的处理为主体，包含信息获取、变换、存储、传输、交换、应用等环节中的信号与信息的处理，是信息科学的重要组成部分，其主要理论和方法已广泛应用于信息科学的各个领域。在网络时代条件下，研究信号传输、加密、隐蔽及恢复等最新技术，均属于信号与信息处理学科的范畴。

随着信号与信息处理[3]理论与技术的发展已使世界科技形势发生了很大的变革。信息处理科学与技术已渗透到计算机、通信、交通运输、医学、物理、化学、生物学、军事、经济等各个领域。它探索信号的基本表示、分析和合成方法，研究从信号中提取信息的基本途径及实用算法，发展各类信号和信息的编解码的新理论及技术，提高信号传输存储的有效性和可靠性。

3.2 主要研究方向

信号与信息处理[3]领域主要的研究分支包括以下内容：

（1）实时信号与信息处理。主要研究内容：嵌入式操作系统的分析、DSP的开发和设计、信号控制技术。信号的采集、压缩编码、传输、交互和控制技术，流媒体技术以及多人协同工作方式研究，从而实现在DSP和互联网上的视音频、文字等多种信息的实时交互和协同工作。

（2）语音与图像处理。该研究方向主要负责研究和探索数字语音和图像处理领域的前沿技术及其应用。研究内容包括：语音的时频分析和算法、声场分析和目标跟踪、动态范围（HDR）图像处理技术和算法、图像加速硬件（GPU）的应用等。

（3）现代传感与测量技术。该研究方向理论研究与应用研究并重：在理论上主要开展基础研究，以发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；在应用上主要结合电力系统的应用需求，开发各种传感与检测系统。

（4）信息系统与信息安全。现代信息系统中的信息安全其核心问题是密码理论及其应用，其基础是可信信息系统的构作与评估。该方向主要研究与通信和信息系统中的信息安全有关的科学理论和关键技术，主要包括密码理论与技术、安全协议理论与技术、安全体系结构理论与技术、信息隐藏理论与技术、信息对抗理论与技术、网络与信息系统安全研究。

（5）智能信息处理。主要侧重于研究将现代智能信息处理的理论、技术和方法应用于现实的各类计算机信息处理系统设计与实现中。为企业培养掌握现代智能信息处理的理论、技术和方法，研究与开发各类智能信息处理系统的技术人才。其主要研究内容有：数字图象处理、视频信息的检测、分析、传输、存储、压缩、重建以及模式识别与协同信息处理；视觉计算与机器视觉、智能语音处理与理解、智能文本分类与信息检索、智能信息隐藏与识别。